基于無人機(jī)飛行的北斗/GPS多模導(dǎo)航性能測試及對比

● 文 |張一錢闖,2劉暉,2李鐵帥

1．武漢導(dǎo)航與位置服務(wù)工業(yè)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司 2．武漢大學(xué)3．中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心

基于無人機(jī)飛行的北斗/GPS多模導(dǎo)航性能測試及對比

● 文 |張一1錢闖1,2劉暉1,2李鐵帥3

1．武漢導(dǎo)航與位置服務(wù)工業(yè)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司 2．武漢大學(xué)3．中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心

本文主要對于搭載到無人機(jī)上的北斗(BDS)/GPS多模導(dǎo)航設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析。分析采用對于存儲的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理和實(shí)時(shí)RTK的方法兩種方式，對于BDS精度和GPS精度進(jìn)行了對比分析，對于后處理算法和實(shí)時(shí)RTK算法精度也進(jìn)行了對比。

衛(wèi)星導(dǎo)航；BDS；后處理；RTK

一、引言

本文介紹一種在無人機(jī)上搭載北斗/GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，提供機(jī)載北斗/GPS雙模差分設(shè)備及北斗高精度定位后處理，并進(jìn)行試飛搭載試驗(yàn)，和地面差分站進(jìn)行實(shí)時(shí)差分定位和后處理，以驗(yàn)證無人機(jī)搭載情況下的北斗高精度差分定位精度情況，判斷能否準(zhǔn)確測量無人機(jī)起飛、降落和整個(gè)飛行過程的經(jīng)緯度。

二、北斗無人機(jī)高精度定位試驗(yàn)系統(tǒng)組成及介紹

1. 系統(tǒng)組成

北斗/GPS雙模差分設(shè)備硬件由差分基準(zhǔn)站、移動(dòng)站（機(jī)載設(shè)備）和一套事后處理軟件組成，如圖1所示。其中基準(zhǔn)站和移動(dòng)站由同樣的設(shè)備通過不同的軟件配置完成。

2. 基準(zhǔn)站接收機(jī)

根據(jù)北斗/GPS雙模差分設(shè)備工作特點(diǎn)及功能要求，基準(zhǔn)站由GNSS接收機(jī)、數(shù)傳電臺、中心控制模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、接口控制模塊、GNSS天線、電臺天線、高能鋰電池及DC/DC電源等功能模塊組成?；鶞?zhǔn)站系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

3. 事后處理軟件

根據(jù)北斗/GPS雙模差分設(shè)備事后處理軟件所需的功能以及各功能在事后數(shù)據(jù)處理不同階段所起的作用，事后處理軟件由數(shù)據(jù)加載模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、參數(shù)配置模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊等功能模塊組成。事后處理軟件整體設(shè)計(jì)如圖3所示。

事后數(shù)據(jù)處理軟件可以處理GPS雙頻原始觀測數(shù)據(jù)，其核心模塊是載波相位動(dòng)態(tài)卡爾曼濾波器，該濾波器處理速度快、性能穩(wěn)定可靠，具有可靠的動(dòng)態(tài)模糊度解算；支持完整的雙頻數(shù)據(jù)處理。事后數(shù)據(jù)處理軟件有兩種電離層模型處理數(shù)據(jù)，即無電離層影響模型和相對模型，對于航空應(yīng)用來說，如果初始化時(shí)基站距離很近，相對電離層模型非常有用。同時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)采用向前處理和向后處理：它能夠按向前處理和向后處理兩個(gè)方向處理數(shù)據(jù)，能組合這兩種解或選擇其中的一個(gè)解。速度解算方面，濾波器中包括L1多普勒測量選項(xiàng)，因此，它的速度處理精度很高并且能夠處理高動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)。

三、實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果

1. 實(shí)驗(yàn)過程

將北斗/GPS多模導(dǎo)航系統(tǒng)搭載在無人機(jī)上，實(shí)時(shí)進(jìn)行星地差分和原始數(shù)據(jù)記錄，以便于進(jìn)行后處理分析。

使用飛機(jī)機(jī)型是中國商飛北研中心靈雀項(xiàng)目的自研飛機(jī)，飛機(jī)命名為靈雀一號。試驗(yàn)地點(diǎn)為鄭州上街區(qū)通航機(jī)場，地形平坦，視野開闊。氣象條件為微風(fēng)，多云。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備照片見圖4（1）（2）。其飛行軌跡見圖5（1）（2）。

2. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證事后解算的可靠性，后面對事后3種解算方法之間進(jìn)行了對比，分析事后解算精度。圖6為BDS系統(tǒng)與雙系統(tǒng)固定解結(jié)果的比較，其中水平方向大于3cm或高程方向大于5cm的比例為4.2%。圖7為GPS系統(tǒng)和雙系統(tǒng)固定解結(jié)果的比較，其中水平方向大于3cm或高程方向大于5cm的比例為6.2%。由以上比較可知，在絕大部分歷元，事后解算的精度是可靠的，固定解精度在厘米量級，而實(shí)時(shí)結(jié)果精度在分米量級。

為了對比實(shí)時(shí)解算和事后解算結(jié)果，將事后單GPS系統(tǒng)的固定解部分與實(shí)時(shí)結(jié)果進(jìn)行了對比，畫出實(shí)時(shí)與后處理對比結(jié)果見圖8。從圖中可以看出，定位精度在分米量級。而后處理結(jié)果在厘米量級。

四、結(jié)論

本文采用的北斗/GPS多模導(dǎo)航設(shè)備在飛行時(shí)段，解算全部固定，精度較好，較好地達(dá)到了實(shí)驗(yàn)效果。分別使用了后處理算法和實(shí)時(shí)RTK方法進(jìn)行了對比，處理結(jié)果表明，后處理算法效果較好，實(shí)時(shí)結(jié)果精度在分米級，事后處理精度在厘米量級。而且計(jì)算的單北斗系統(tǒng)精度優(yōu)于GPS。該設(shè)備和算法完全可以滿足測量該無人機(jī)起飛、降落和整個(gè)飛行過程的要求。

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